NCF3015氣閥鋼時效處理旋轉彎曲疲勞壽命性能研究

孫 歌，孔德此，曾燕鵬，黎志彥，梁育卿

（懷集登月氣門有限公司，廣東 懷集 526400）

NCF3015合金是一種沉淀硬化鐵-鎳基氣閥鋼，其機械性能在鐵基和鎳基合金的氣閥鋼之間，并且相比鎳基氣閥鋼具有更低的成本。早在20世紀40年代，國際上開始研發鎳基高溫合金。其歐洲主要研究Nimonic系列鎳基合金，主要代表有Nimonic75鎳基合金和Nimonic80合金。美國則主要研究Inconel系列合金，比如Inconel 751，就是通過調整鈦鋁比例形成的新鎳基氣閥合金材料[1]。

由于原材料鎳的價格居高不下，對性能和成本的雙重追求下，日本于1994年發明了NCF3015合金，并且廣發應用于歐美制造發動機排氣閥[2]。而我國對NCF3015合金材料的國產化和應用研究，于2013年后才逐步開始。目前，由于該材料具備更低的成本和良好的高溫綜合性能，已作為Inconel751替代材料，廣泛應用于國內主機廠。

1 試驗制備與方法

試驗材料采用國內某鋼廠生產加工的NCF3015棒料，其棒料直徑為10.5mm，試驗用的NCF3015鐵鎳基合金的化學成分見表1。熱處理制度為：750℃×4h，空冷。熱處理后的NCF3015室溫力學性能見表2，室溫拉伸試驗采用 GB/T228.1-2002《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[3]標準。熱處理后的試樣經機械加工制成旋轉彎曲疲勞試樣，其疲勞試樣的尺寸如圖1所示。試驗設備選擇QBWP-10000型懸臂旋轉彎曲疲勞試驗機，應力比為-1，確定判定通過的疲勞壽命值為1×107。

表1 NCF3015合金的化學成分（wt%）

圖1 金屬測試旋轉彎曲疲勞漏斗形試樣

表2 NCF3015室溫力學性能表

2 結果和分析

2.1 顯微組織

NCF3015合金經過760℃4小時時效熱處理后的疲勞試樣金相顯微鏡觀察金相組織如圖2所示。從圖2可看出，試樣晶粒度為9級，合金的基體為奧氏體組織，晶界處有少量的析出物。

圖2 NCF3015僅時效狀態橫向金相組織

2.2 高溫疲勞性能

圖3 NCF3015材料550℃下疲勞測試升降圖

圖4 NCF3015材料650℃下疲勞測試升降圖

表4 疲勞源各區域的成分表

NCF3015氣閥鋼在550℃和650℃的高溫條件下50%存活率的旋轉彎曲疲勞S-N曲線如圖5所示。從圖5可看出隨著應力水平降低，疲勞壽命延長。根據升降法，得知在550℃下，當應力為700MPa時試樣經107循環不發生斷裂；在650℃下，當應力為560MPa時試樣經107循環不發生斷裂。根據根據GB/T 24176中的相關規定計算，NCF3015熱處理僅時效狀態，50%失效概率的疲勞強度下極限分別為550℃為580MPa和650℃為723MPa。

圖5 NCF3015合金高溫旋轉彎曲疲勞的應力－疲勞壽命（S－N）曲線

圖7 試樣的裂紋源EDS成分檢測

表3 疲勞源各區域的成分表

疲勞斷口SEM觀察表明NCF3015的旋轉彎曲疲勞斷口均是由裂紋萌生區，裂紋穩態擴展區和裂紋失穩擴展到瞬間斷裂區三部分組成。轉彎曲疲勞斷口觀察表明，裂紋均起源于試樣表面和近表面的缺陷處，見圖6和圖8。圖6斷口近表面有一層平整光滑，是由于加載過程中試樣兩個裂紋面的不斷摩擦嚙合形成的平整帶。從EDS檢測得知，斷口近表面黑色塊狀組織（區域2）主要為金屬碳化物。

圖6 NCF3015合金疲勞斷裂形貌

圖8 NCF3015合金疲勞斷裂形貌

圖9 試樣的裂紋源EDS成分檢測

NCF3015疲勞斷裂的另一種方式主要為夾雜物，從圖8斷口形貌圖顯示有明顯的“魚眼”斷口形貌。在近表面的位置，有明顯的夾雜物，通過EDS對疲勞源夾雜物的成分分析。可以看到區域1主要為金屬碳化物的夾雜物，區域2主要為碳化鈣鉀硫硅中的非金屬夾雜物，同時附近有較為明顯的應力集中，確定其為魚眼的中心且為主要的疲勞源。

3 結論

（1）發動機氣門材料NCF3015僅時效狀態下的高溫旋轉彎曲疲勞特性，在550 ℃疲勞極限為723 MPa，650 ℃下的疲勞極限為580MPa；根據550 ℃和650 ℃下所進行的高溫旋轉疲勞測試所得S-N圖可知，隨著溫度的升高，NCF3015抗疲勞強度受到了較為明顯的影響，隨著溫度的升高而降低。

（2）NCF3015氣門鋼的疲勞破壞模式主要兩種，即近表面碳化物起裂、內表面金屬和非金屬夾雜物起裂。其中，內表面夾雜物起裂有明顯的“魚眼”特征。